现代光学实验报告

1、偶氮染料掺杂聚合物薄膜的光学特性董春萍 1223408002物理三班摘要有机偶氮染料掺杂的聚合物材料成本低、易于制备、并具有实时可擦除的光存储性能， 是比较理想的光存储材料，它在可擦除光盘、高密度数据存储、光图象处理及全息术等方面 具有广阔的应用前景，因此日益受到人们的重视。了解偶氮染料掺杂聚合物薄膜的可擦除光 存储的物理机制，掌握测量光栅生长曲线、擦除曲线和拍摄所存图象信息的方法，探讨该系 列材料在高科技中的应用。由于光计算、光存储和光信息处理等方面实际应用的需要，人们 对可重复使用的低功率存储器件的材料及性能研究极为关注。与其它材料相比，偶氮聚合物 介质由于具有良好的光学性能、热稳定性、溶

2、解性和制备方法简单等特点，是很有发展前途 的光存储材料之一。关键词：偶氮染料、光储存、光致双折射引言：偶氮化合物具有良好的光热稳定性、 溶解性和容易制备等特点，而且最重要的一 点是通过结构修饰，吸收峰可以移到短波 区，是一类新型的高密度光盘存储介质，偶 氮化合物的分子结构是在两个苯环之问以N 一N双键连接为特征，在光的作用下，偶氮 化合物能产生反式(trans )和顺式(cis)之间的 异构化反应旧1，它既有光色效应又有光致 双折射效应，通过采用不同波长的光束对偶 氮基团进行照射，可以使其可逆地在trans和 cis之间进行转变，从而导致吸收特性的变化 (光致变色效应)旧。偶氮基团的这些特性，

3、 使得通过光照可以实现信息的储存和擦 除.由于cis基团没有trans稳定，在室温下会 自发进行热异构化，从cis返回到trans.热异 构化时间一般在数分钟，故光色效应的寿命 不长，而光致双折射因分子间的相互作用可 以保持很长时间，因此通常利用偶氮化合物 的光致双折射效应进行信息存储，我们的实 验主要就其光存储性能和光致双折射进行实验原理：一、偶氮染料的结构特征与性能偶氮染料是一类具有光异构特征的有机 光学材料，其分子结构是在两个芳环之间以 N=N双键连接为特征。它们的基本结构特 征，即骨架决定了它们的主要吸收峰的范围 (最大吸收峰在可见光区内)。偶氮染料还具有一定共轭性，一般来说，共轭程度

4、 越大，分子的基态与第一激发态之间的能级 差越小，其吸收峰发生红移。偶氮染料的第 二结构特征(苯环上的取代基)对吸收峰的 位置具有一定影响。取代基的电子效应(诱 导效应和共轭效应)影响分子中电子云密度 分布，使分子的基态与激发态之间的能级差 发生变化，其吸收峰发生移动。(a) 光异构过程(b)偶氮分子的能级结构图偶氮材料的光异构特性偶氮染料是一种偏振敏感的有机染料，它具 有反式(trans)和顺式(cis)两种分子结构， 如图9-1 (a)所示(其中R1和R2表示不同 的取代基，本实验所用甲基橙的取代基R1 为NaO3S , R2为N (CH3) 2 )。它们的分 子主轴均为氮氮双键。两者对应

5、能态的能量 是反式结构能量低，结构稳定；顺式结构能 量高，结构不稳定，所以一般情况下偶氮分 子多以稳定的反式结构存在。图9-1 (b)是 偶氮分子的能级结构图，由图可见，当用激 光激发时，反式偶氮分子的基态粒子So吸 收一个光子后，跃迁到第一激发态的某一振 动能级S上，并迅速驰豫到第一激发态的 最低能级vS上。处于S1能级上的粒子可以 进一步吸收一个光子并跃迁到第二重激发 态S2上，也可经过系间跃迁无辐射驰豫到 三重激发态T1上，这种跃迁由S1与T1间能 级差决定。差距越小，跃迁越容易。T1态的 粒子可以吸收光子跃迁到T2态上，也可通 过无辐射跃迁回到S态上。同时当激光强 度达到一定值后，S2

6、、OT2等能级上的粒子还 可以进一步吸收光子跃迁到更高一级激发 态上去。处于高能级激发态上的粒子还可以 通过无辐射跃迁的方式和较低能级跃迁，其 能量转变为分子内能，或以磷光与荧光的形 式辐射出去。由于偶氮Trans、Cis构型的最 低三重态（T1和T1 ）相距很近，且Trans 式三重态（T1）寿命较长，处在T1态的分 子除可回落到S。态外，还能从T1态转移至 Cis的最低三重态T1 上，而转移至T1 上的 分子驰豫到S，则完成从Trans到Cis的转 变。这样偶氮分子就由反式结构变为顺式结 构，这种现象叫光致异构。通常情况下，偶 氮染料的顺式异构体不稳定，在光照或热激 发下会向周围基质中辐射

7、能量回到稳定的 反式结构，利用偶氮分子的这种光异构特性 可以实现光存储。二、偶氮类染料的光存储机制用全息技术实现三维数据的存储，即为 光存储。这一思想于1963年由美国Polaroid 公司的Pieter J Van Heerden首次提出。但技 术和材料问题一直阻碍着光存储走向实用 化。无机光存储材料往往灵敏度低、价格昂 贵。现在人们已经找到一些性能理想的有机 材料，它们具有可擦除性，可以多次重复使 用而性质基本不变，而且价格便宜、制膜方 便。本专题介绍的是一种水溶性有机偶氮染 料，将它和聚乙烯醇分别溶于水，按不同比 例混合，涂附在载玻片上，待水分挥发后即 可制成含不同染料浓度的聚合物薄膜材

8、料。 本实验的目的是通过测量该薄膜的光栅生 长曲线、擦除曲线和拍摄所存图象的信息， 理解可擦除光存储的物理机制，探讨该系列 材料在高技术领域中的应用。全息光存储实验装置图由上述吸收谱的分析可知，可用YAG 倍频激光器532 nm的P偏振光作为写入 光，HeNe激光器632.8 nm光作为读出光， 实验光路如图9-3所示。在两束P偏振光的 写入条件下，既有强度调制的标量存储，又 有偏振调制的矢量存储。标量存储记录的是 异构相位光栅，矢量存储记录的是取向相位 光栅。光异构反应属于快过程，分子取向属 于慢过程。光栅的生长机制两束等强度的相干P偏振光作为写入 光（波长人=514.5nm），交叠照射在样

9、品（图 中的H）上，两束光的夹角为29,由于这两 束光满足频率一定（由同一激光器发出）， 振动方向相同（均为P偏振），位相差恒定， 因此在样品上产生明暗相间的干涉条纹，条 纹间距A=M2sin（9/2），条纹的光强分布为周 期性正弦分布。条纹亮区的样品中，不断有 反式偶氮染料分子吸收光子转变为顺式分 子，产生的顺式分子不断地被偏振光的电场 取向，最终亮条纹区所有顺式分子，其分子 主轴的排列方向都平行于干涉场偏振光的 电矢量。暗条纹区只产生少量的顺式分子， 多数偶氮分子以反式结构存在且呈无规则 排列。其中光致异构过程相对较快，顺式分 子的取向过程相对较慢。在一定温度、一定 光强下，最终样品中偶氮

10、染料的顺式分子浓 度和反式分子浓度将达到一稳定比例，产生 的顺式分子逐渐被电矢量取向。由于干涉条 纹的光强呈正弦分布，所以顺式分子的浓度 及其规则排列也呈周期性正弦分布，顺式分 子的这种排列方式使得样品的折射率产生 周期性变化。这种由于分子的光致异构周期 性排列而导致的折射率的周期性变化，叫做 光折变效应。任何能对入射光的振幅、或位相、或二 者同时加上一个周期性的空间调制的光学 器件，都可以称作光栅。上述周期性变化的 折射率能够对入射光的位相加上一个周期 性的调制，称作折射率光栅或相位光栅。其 中由偶氮分子异构产生的相位光栅称为异 构相位光栅，是标量存储，由顺式分子规则 取向形成的相位光栅成为

11、取向相位光栅，这 是矢量存储。顺式分子浓度的逐渐增大和分 子取向的逐渐加强的过程，也就是相位光栅 的生长过程。由于本实验用波长为532nm的绿光为 写入光，样品厚度大约100|im，形成的光栅 可以看作体光栅。样品对该波长的光是强吸 收的，因此，样品的前表面光照相对充分， 而其内部和后表面光照相对不足。样品前表 面干涉条纹的明暗对比度较大，明暗条纹中 顺式分子浓度和顺式分子的周期性排列的 差别也较大，此处的相位光栅较强；反之， 样品内部和后表面形成的相位光栅较弱。这 时样品前表面的光栅起主要作用，样品的衍 射效率较低。由于样品对红光不敏感，用一 束红光照射在折射率光栅上作为读出光，在 样品的另

12、一侧就会产生不同级次的衍射条 纹(光栅方程dsinO=n人)。本实验可以明显 观察到红光的一级衍射信号。在光栅生长过 程中，用一束红光作为读出光(人=632.8nm)， 通过监测红光一级衍射信号强度的变化，即 可检测到相位光栅的生长过程。光栅擦除机制光栅生成后，关闭一束写入光，另一束 写入光即为擦除光。擦除光均匀照在光栅 上，原先暗区或光强较弱的区域中反式分子 就会吸收光子转变为顺式分子，并且被擦除 光的电矢量取向；原先较亮的条纹区，则由 于光强的减弱，顺式分子的数目减少。最终 擦除光照射的整个区域内，顺式分子的浓度 将达到稳定值，且大小分布均匀，取向一致， 这样顺式分子的浓度及取向的周期性分

13、布 被破坏，光栅被擦除。同样在擦除过程中， 加上一束红光，监测其一级衍射信号强度的 变化，即可检测到光栅擦除的情况。如果用 圆偏光或椭圆偏光擦除的话，则擦除速度会 更快一些。五、光致双折射的测量偶氮染料掺杂聚合物薄膜的光致双折 射的大小可用一束样品不吸收的探测光来 测量。样品被放置在两块正交偏振片和 P2之间，用一束泵浦光照射样品，由于泵浦 光的作用，在样品中产生了光致双折射，因 此在检偏器P2后将有探测光信号出现。图10-1给出了单色光顺次通过两正交 偏振片中一种向导性晶片的振幅分解情况。 图中P1和？2相互正交，设晶片的光轴与P1 成a角。从P1射出的线偏振光进入晶片后 分解为寻常光和非寻

14、常光，非寻常光的振动 沿光轴，与P1成a角。Ae是晶体中非常光 的振幅，A。是寻常光的振幅，Ae和A。相 互垂直。则：A =Acosa ; A。=Asina。令 晶片的厚度为d：光从晶片另一表面出射时， e光和o光的位相差为：6 =2n d(n -n )/入。 光通过第二片振偏片P2时，A和A分分别在 P2方向上的投影为：:OA =A sin a =Acos a sin a =Asin(2 a )/2;Ao=Aocosa =Asina cosa =Asin(2a )/2从P2出射的振幅分别为A和Ao的两束偏振 光之间的相位差为： 8 = 8+兀=2nd(n -n )/人+兀 由此出射光强： O

15、 I =A、2 +A、2 +2A A CC6 e o e o= 1/2 I sin2 (2 a ) l c oos2n d(n n ) /入=I sin2 (2 a ) sin 02 n d(nn。)/入(1)式中，I为经过P后的光强，I t为经过P2 后的光强，a为晶体轴与P1的透光方向的 夹角，d为晶片的厚度，n与no分别为、 o光的折射率。由公式(1)即可测得偶氮聚合物光致 双折射An = no的大小。实验光路如图 所示。由于本实验所用材料在532cm处有吸 收，因此半导体所发激光作为泵浦光照射样 品，可诱导产生双折射。由于样品在632.8nm 处没有吸收，氦氖激光可作为探测光，监测 光

16、致双折射的产生。在氦氖激光的光路里， 样品被放在两正交的偏振片P1和P2之间， 偏振片P1和P2的偏振方向垂直，由偏振片 P2透过的信号光由CCD接收，并连接进入 计算机PC。实验步骤：观察光栅生长过程，研究光生长规律， 画出光栅生长曲线。按图搭好光路，打开激光器电源，待激 光稳定后，仔细调节光路，观察到一级 衍射信号为止。关闭一束写入光，待衍 射信号为零后，打开读出光，同时利用CCD采集衍射信号，直到衍射信号强度 达到饱和最后利用计算机进行数据处 理，并画出光栅生长曲线。取写入光功 率为10 mW，重复上术实验过程，分析 比较不同写入光功率下的光栅生长过 程。研究不同写入光功率对光栅生长的影

17、 响，测量衍射信号强度随写入光功率的 关系。写入光功率分别取4 mW、8 mW、12 mW、16 mW、20 mW、24 mW、28 mW， 读出光功率取1Mw，在每一写入光功率 下，分别采集衍射信号的最大值，处理 数据后，作出衍射信号强度随写入光功 率变化曲线，分析衍射信号强度随写入 光功率变化关系。测量擦除光功率与擦除速度的关系。保持写入条件一定(保持写入光功率10 mW，读出光功率1Mw)，当信号稳定， 即光栅生长达到饱和时，关闭一束写入 光，同时利用CCD采集擦除信号。变化 擦除光(即剩下的那束写入光)功率分别 为 10 mW、5 mW、1 mW，用 CCD 分 别记录每一擦除光功率情

18、况下，衍射信号 强度随擦除时间的变化，最后用计算机处 理数据，并作出光栅擦除角度、光路的设计按图10-2所示，布置光路。打开He-Ne 激光器，它发的光作为探测光。旋转偏 振片P，使透过偏振片P的探测光最强， 样品放于偏振片P1和P2之间，旋转偏振 片？2，使透过偏振片P2的光最弱，或没 有，即使偏振片P2不透光。打开半导体激光器，它发的光作为泵浦 光，使它与探测光重叠成一个光斑照射 在样品上。观察透过偏振片P2的光，即为光致双折 射信号。将其接入CCD，通过计算机采 集数据。、研究泵浦光功率变化对光致双折射的 影响。令探测光功率为1mW，泵浦光 功率分别为10mW、20 mW、30 mW，

19、研究光致双折射随泵浦光功率变化关 系。、同一泵浦光功率下，测试光致双折射 的生长和衰减过程。、研究光致双折射随泵浦光与探测光片偏振方向夹角。的关系。三、实验内容：第一部分1、光路的设计按图所示，布置光路。打开He-Ne激光 器，它发的光作为探测光。旋转偏振片 P1，使透过偏振片P1的探测光最强，样 品放于偏振片P1和P2之间，旋转偏振片 P2,使透过偏振片P2的光最弱，或没有， 即使偏振片P2不透光。打开半导体激光器，它发的光作为泵浦 光，使它与探测光重叠成一个光斑照射 在样品上。观察透过偏振片P2的光，即为光致双折 射信号。将其接入CCD，通过计算机采 集数据。2、研究泵浦光功率变化对光致双折射的影 响。令探测光功率为1mW，泵浦光功率 分别为10mW、20 mW、30 mW,研究 光致双折射随泵浦光功率变化关系。3、同一泵浦光功率下